3.АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

3.1.Принцип работы и устройство асинхронных машин

По сравнению с другими электродвигателями (ЭД), асинхронные двигатели (АД) отличаются простотой, надежностью и меньшей стоимостью. Большинство кузнечно-штамповочных машин приводится в движение АД.

Трехфазный асинхронный двигатель состоит из неподвижной части (статора), в пазах которого помещены 3 катушки, создающие круговое вращающееся магнитное поле, и подвижной части (ротора).

Допустим, в начале ротор неподвижен. При этом вращающееся магнитное поле, созданное обмотками статора, пересекает обмотку неподвижного ротора с угловой скоростью ω0 и наводит в ней ЭДС. ЭДС вызывают токи

в обмотке ротора. По закону Ленца эти токи стремятся своим магнитным полем ослабить вызвавшее их магнитное поле. Механическое взаимодействие токов ротора с вращающимся магнитным полем приведет к тому, что ротор начнет вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле со скоростью ω .

В установившемся режиме скорость вращения ротора составляет

(0,98 - 0,95) ω0 .

Асинхронные двигатели изготавливают двух основных типов – с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.

АД с фазным ротором (АД с ФР) имеют на роторе обмотку, выполненную по типу 3-фазной обмотки на статоре. Обмотка ротора соединяется обычно в звезду, а концы выводятся наружу через контактные кольца и щетки на пусковой реостат.

АД с короткозамкнутым ротором выполняются в трех основных модификациях:

1)с одиночной беличьей клеткой на роторе;

2)с двойной беличьей клеткой на роторе;

3)двухклеточные.

Короткозамкнутый ротор АД “беличья клетка” набирается из пакетов электротехнической стали и имеет пазы. В каждом пазу находиться медный или алюминиевый стержень. Торцевые части стержней замыкаются кольцами. В машинах с мощностью до 100 кВт стержни обычно изготавливаются путем заливки ротора алюминием.

АД с короткозамкнутым ротором (АД с КЗР) имеют большие пусковые токи и сравнительно небольшой пусковой момент. При одинаковой мощности АД с короткозамкнутым ротором имеют несколько лучшие энергетические показатели – η, cosφ, чем АД с фазным ротором.

Существующие АД с короткозамкнутым ротором специального исполнения (с двойной беличьей клеткой, с глубоким пазом, с повышенным скольжением) имеют несколько большую кратность пускового момента:

20

–АД серии 4А до 100 кВт, U до 500 В, и s = (0,02 - 0,03) используются для длительного режима работы, когда не требуется большого пускового момента (для вентиляторов, насосов, станков);

–АД серии 4А с повышенным пусковым моментом 4АР мощностью

до 100 кВт, U до 500 В. ( МпМн ≈8 ÷ 2; МмахМн ≈ 2,2; IIпн ≈ 6 ÷ 7,5; s ≈ 0,023 ÷ 0.03 ). У

этих АД ротор имеет или глубокий паз или двойную беличью клетку. Их используют при длительном режиме работы для плунжерных насосов, толкателей;

– АД серии 4А – с повышенным скольжением s = (0,1 – 0,16). Эти АД имеют пониженный η и МпМн ≈1,8 ÷ 2.1; МмахМн ≈1,6 ÷ 2,4; IIпн ≈ 4 ÷ 6,5 . Используют-

ся для длительного режима в случае ударной (молоты, прессы, ножницы) или пульсирующей (небольшие поршневые компрессоры) нагрузки, так как они позволяют лучше использовать кинетическую энергию маховика.

Применение АД с повышенным скольжением целесообразно при кратковременных режимах работы, когда необходим большой пусковой момент (для привода задвижек и шиберов).

3.2. Схемы замещения асинхронных машин

В АМ скорость вращения поля (ω0 = f/p) и скорость вращения ротора (ω ) различны. Относительная разность скоростей вращения поля и ротора называется скольжением (s)

ω0

В АМ ротор вращается относительно магнитного поля со скоростью (ω0 −ω). Поэтому, наводимые в роторе ЭДС имеют частоту скольжения

Фm

Рис. 3.1. Физическая схема связи первичной и вторичной цепи АМ

21

На рис. 3.1 представлена физическая схема связи первичной и вторичной цепи АМ, где

x1,r1– индуктивное и активное сопротивления обмотки фазы статора; x2,r2 – индуктивное и активное сопротивления фазы ротора;

Фб1 – поток рассеяния статора; Фб2 – поток рассеяния ротора; Е1 – ЭДС статора;

Е2s – ЭДС ротора;

Фm – поток взаимоиндукций (существует в воздушном зазоре между статором и ротором), индуктирующий в обмотке ротора, при его вращении,

ЭДС (Е2s).

Физическая схема замещения, приведенная к неподвижному ротору, представлена на рис. 3.2.

Фm

Рис .3.2. Физическая схема замещения фазы АМ, приведенная к неподвижному ротору

Для приведения схемы к неподвижному ротору, во вторичную цепь вводится добавочное активное сопротивление r2(1-s)/s.

Полная Т-образная схема замещения АМ приведена на рис. 3.3, где x2’,r2’ – индуктивное и активное сопротивления обмотки ротора приведенные к обмотке статора:

где ke , ki – коэффициенты трансформации по ЭДС и току.

xm

Uф

rm

Рис. 3.3. Т-образная схема замещения АМ

22

Подставив формулу (3.6) в выражения (3.5), получим уравнение механической характеристики АМ:

Механическая характеристика представлена на рис. 3.5. Устойчивая работа АД возможна на участке характеристики, заключенной в пределах s = 0; s = sк. При работе на этом участке всякое увеличение нагрузки вызовет снижение скорости вращения и будет сопровождаться увеличением крутящего момента двигателя. Когда момент двигателя станет равным моменту нагрузки, дальнейшее снижение скорости прекратиться.

В теории электропривода, при питании АД от сети с неизменной частотой, используют упрощенную Г-образную схему, принимая С = 1 (из выра-

жения (3.4)).

-s w

Генераторный

режим

Двигательный

режим

4

Рис. 3.5. Механическая характеристика АМ

24

Механическая характеристика имеет два максимума: в генераторном и в двигательном режиме.

Рассмотрим основные критические точки:

1)s = 0; M = 0; ω = ω0 – режим идеального холостого хода;

2)s = sном; М = Мном – номинальный режим работы;

3)s = sk ; M = M k – критическая точка двигательного режима (критиче-

ский момент Мк также называют максимальным (Mmax) или опрокидывающим);

4) M = M кз = M п ; s =1; ω = 0; I1 = I кз = I п – точка короткого замыкания (момент пуска);

где Мкз, Iкз – момент и ток короткого замыкания; Мn, In – пусковые момент и ток;

5) s = −sк ; М=Мкг – критическая точка генераторного режима. Следует отметить, что критическое скольжение |sк| в двигательном и

генераторном режиме одинаково, а моменты разные. Критическое скольжение можно найти из уравнения dMds = 0 :

Для упрощения расчетов и построения механической характеристики используют формулу Клосса (без учета активных сопротивлений статора):

25